用于表征微纳米纤维形成过程的原位接收装置和方法

摘要

本发明涉及一种用于表征微纳米纤维形成过程的原位接收装置和方法，装置包括电机马达、传动装置、接收网帘、制动装置、机架装置和控制装置，机架装置由轴承组成，接收网帘的旋转轴安装在轴承上；传动装置一端与接收网帘的旋转轴相连，另一端与电机马达的输出轴相连；电机马达与控制装置相连；控制装置与制动装置相连；电机马达的输出轴上还设有用于控制电机马达的输出轴与传动装置相接或断开的电子离合器；电子离合器由控制装置控制。方法是利用控制装置对电子离合器的接合和断开进行延时控制，从而利用接收网帘接收纤维。本发明接收的纤维属于相同时刻不同接收距离的纤维，可用于对纤维形成过程进行研究。

说明书

技术领域

本发明涉及微纳米纤维技术领域，特别是涉及一种用于表征微纳米纤维形成过程的原 位接收装置和方法。

背景技术

纤维微纳米化是一个研究热点。在实践上研究如何让纤维直径进一步减小，在理论上 研究如何表征这尺度减小的过程和规律，都需要有客观而准确的实验数据为基础。因此， 合理设计一个方法和装置，测定和表征纤维形成过程，并得到准确而真实的纤维直径数值 非常重要。该方法和装置在用于表征纤维形成过程时，尽可能不影响或干扰原工艺加工条 件，这样得到的才是真正工艺条件下的纤维形成过程现象。

现有的微纳米纺丝技术有很多种，对纺成微纳米纤维的接收方法也很多。如熔喷非织 造接收装置有滚筒式、平网式和立体成型(芯轴)形式。静电纺丝接收装置有圆柱状转鼓 接收装置、凝固池接收装置、旋转圆盘接收装置、框架接收装置、相对圆环接收装置、平 行电极接收装置、尖端接收装置、辅助电极接收装置等等。关于微纳米纤维的接收方式和 装置的专利较多，但是没有真正意义上的用于表征纤维形成过程的接收方法和装置。下面 具体以熔喷工艺中的纤维接收装置为例说明。熔喷工艺中关于接收装置的专利有美国专利 (USP4936934)，该专利主要采用滚筒表面接收纤维。接收时滚筒表面和纤维运动方向垂 直，通过改变滚筒表面和喷丝孔出口的距离达到收集不同纺丝距离的纤维，同时本专利滚 筒有内部均匀吸风可使熔喷纤网达到质量分布均匀。中国专利(申请号2010206195452.5， 公告号CN201864904U)接收距离调节装置，该专利采用传统的网帘方式接收纤维，接收 时网帘表面和纤维运动方向垂直，接收距离的调节是通过专门螺杆升降装置来完成。

按对纤维研究方面来说，这些接收方式的专利可归为一类接收方式，叫垂直接收方式， 即接收面垂直于纤维运动方向。其优点是，能够提供纤维及产品的平均信息，如不同接收 距离的纤维直径值，将该接收距离接收到的纤维测量直径，再求平均值即得到。适用于该 微纳米纺丝技术中工艺与产品关系研究，即研究原料、形成纤维前的熔体与成品纤维之间 的对应平均性能参数之间关系的研究。该类接收方式的缺点是，第一，该类接收方法的装 置在使用时，对原工艺过程会造成一定的影响。如上所述，该装置对原工艺的干扰作用随 着接收距离的减小而变大，在离喷丝头很近的距离如1-2cm左右时，偏差非常大。而研究 熔喷工艺中纤维成型机理时，接收距离较小处纤维的指标值如直径等是很重要的基础数 据。所以上述专利只适用于接收距离较大范围的纤维接收。第二，该类接收方法只能用于 比较粗略的表面性研究，提供数据事实缺乏深度。它所提供的信息只有条件和结果方面的， 缺乏中间过程详细信息，只能用于定性或大概定量方面研究。如在静电纺丝技术发展历程 中，不同观测纤维成型方法在对待纤维是否存在分裂现象上有着不同的观点。在熔喷工艺 也存在类似情况，从理论上看纤维在被气流拉伸过程中，除了直径变细外，还有许多其它 信息，如会发生偶尔的断裂现象，断裂点大致位置，会发生横向的振动，形态发生改变， “shot”和“小点”的产生等，采用现有的接收方法均不能将上述信息捕捉到并反映出来。第三， 该类接收方式所提供的信息是平均信息，缺乏原位性。如需要研究纤维在不同接收距离的 直径数据，采用的方法是将在不同时间不同接收距离所得到纤维求平均值。但是当需要准 确研究一根纤维沿长度方向上直径的变化时，则这种接收方式不能提供这方面信息。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于表征微纳米纤维形成过程的原位接收装 置和方法，能够在相同时刻收集不同接收距离的纤维，解决目前现有的接收方法不能满足 研究工作中的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于表征微纳米纤维形成过程 的原位接收装置，包括电机马达、传动装置、接收网帘、制动装置、机架装置和控制装置， 所述机架装置由轴承组成；所述接收网帘的旋转轴安装在所述轴承上；所述传动装置一端 与接收网帘的旋转轴相连，另一端与所述电机马达的输出轴相连；所述电机马达通过所述 传动装置带动所述接收网帘绕自身旋转轴旋转；所述电机马达与控制装置相连；所述控制 装置与制动装置相连；所述的电机马达的输出轴上还设有用于控制电机马达的输出轴与传 动装置相接或断开的电子离合器；所述电子离合器由所述控制装置控制。

所述传动装置包括第一皮带轮和第二皮带轮，所述第一皮带轮和第二皮带轮通过同步 齿形带相连；所述第一皮带轮的中心与所述电机马达的输出轴相连；所述第二皮带轮的中 心与接收网帘的旋转轴相连。

所述接收网帘为金属网。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供用于表征微纳米纤维形成过程的 原位接收方法，包括以下步骤：

(1)通过控制装置设定电子离合器的延时时间和收集纤维流的次数；

(2)在接收网帘的正面贴上一层黑色接收纸；

(3)放置所述原位接收装置，使所述旋转轴的轴线与纤维流的轴线相互平行，旋转 轴的轴线与纤维流的轴线之间的距离小于接收网帘的宽度；

(4)打开电机马达，电机马达的输出轴开始转动，控制装置开始延时；

(5)延时结束，控制装置向电子离合器发送接合信号，电子离合器使电机马达的输 出轴与传动装置相接，接收网帘开始旋转接收纤维流，直至达到设定的纤维流次数；

(6)控制装置向电子离合器发送断开信号，并向制动装置发送制动信号，电子离合 器使电机马达的输出轴与传动装置断开，同时制动装置进行制动，使接收网帘停止在指定 的位置。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果： 本发明接收的纤维属于相同时刻不同接收距离的纤维，反映纤维形成过程中不同时刻的信 息，区别于现有产品接收方式接收纤维所提供信息，对于纤维形成过程研究很实用，也可 以用于其它相关研究。本发明接收装置在使用时，因为接收装置平行于纤维运动方向，且 速度较快，对原实验工艺参数值干扰较小，收集的纤维更加接近于真实工艺下的纤维。对 本发明所接收纤维相关性能参数的研究属于近似原位(in-situ)研究，如纤维直径变化数 值来自真正同一根纤维的不同部分测得，而不是取自于多根纤维直径的平均值，因此更接 近于实际。本发明接收方法和装置可用于现有所有微纳米纺丝技术，如熔喷技术 (melt-blowing)、纺粘技术(spun-bond)、静电纺丝技术(electro-spinning)、闪蒸纺丝技 术(flash spinning)等。本发明装置结构简单，操作方便，制作成本低。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的装置工作时的俯视图；

图3是纤维流示意图；

图4是实施例1和实施例2的纤维直径变化图；

图5是实施例3、实施例4和实施例5的纤维直径变化图；

图6是实施例6的纤维直径变化图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而 不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。

本发明的实施方式涉及一种用于表征微纳米纤维形成过程的原位接收装置，如图1所 示，包括用于提供本装置全部动力的电机马达1、用于将电机马达1的动力传输给接收网 帘2的传动装置、用于纵向收集微纳米纤维的接收网帘2、用于将旋转的接收网帘2快速 停下的制动装置3、用于固定接收网帘2的旋转轴并可让接收网帘2绕旋转轴旋转的机架 装置4和控制装置5。所述机架装置4由轴承组成，所述接收网帘2的旋转轴安装在所述 轴承上。所述传动装置一端与接收网帘2的旋转轴相连，另一端与所述电机马达1的输出 轴相连，所述电机马达1通过所述传动装置带动所述接收网帘2绕自身旋转轴旋转。所述 电机马达1与控制装置5相连，所述控制装置5与制动装置3相连。所述的电机马达1的 输出轴上还设有用于控制电机马达1的输出轴与传动装置相接或断开的电子离合器6，所 述电子离合器6由所述控制装置5控制。所述控制装置5主要是智能电路控制板。其作用 是：第一、延时启动。给传动电子离合器6发送脱开或闭合的信号。当开机时，由于电机 马达1速度有一个由低到高的过程，本发明不利用低速，所以在电机马达1处于低速时， 传动电子离合器6处于延时脱开状态，这时电机马达1转动而接收网帘2停止。当电机马 达1达到需要的转速时，延时结束，本控制装置5给信号传动电子离合器6，让电子离合 器6闭合，带动接收网帘2开始转动工作；第二、准确控制接收次数。当接收网帘2高速 回转收集纤维流(如图2，图中A部分为纤维流的形成点)时，每转动一圈，和纤维流交 汇而收集一次。根据具体实验要求，确定收集次数，在控制面板上设置次数。当接收次数 达到时，本控制装置同时给信号传动电子离合器6和制动装置3，让电子离合器6脱开， 同时让正在回转的接收网帘2制动而停止。第三、定位停机。当收集结束时，通过电路设 计让接收网帘2停在指定的地点，利于换接收纸，也利于下一次开始工作。

所述传动装置可以包括第一皮带轮7和第二皮带轮8，所述第一皮带轮7和第二皮带 轮8通过同步齿形带9相连；所述第一皮带轮7的中心与所述电机马达1的输出轴相连； 所述第二皮带轮8的中心与接收网帘2的旋转轴相连。所述接收网帘2为金属网。

本装置的接收方式为平行接收方式(也叫过程接收方式，又叫瞬时接收方式或原位接 收方式)，接收面平行于纤维运动方向。其特点是：原料从开始，经过不完全相同长度的 工艺路径，形成过程纤维。简单说就是，相同时刻，收集不同工艺路程(接收距离)的纤 维。该工艺路程(接收距离)包括从纤维形成点开始，到最终成品纤维为止。这类接收方 式收集到的东西不能算是真正意义上的纤维，而是从粗到细连续不断的纤维细流固化物 (如果纺成微纳米纤维是连续长丝)，该细流一些性能参数(如纤维直径、形态和强度等 性能)连续变化。也就是说，如果接收到的是一根连续纤维流，则同一跟纤维上直径的变 化就可以得到清楚直接的表征，而不是通过多少个值的平均来表征。如果纤维在变细过程 中出现分裂或断裂，则通过该接收方式接收到的纤维中可以很清楚看出。这些纤维过程信 息可以用于直接反映纤维形成过程状态，非常适合用于纺丝工艺的理论和实践研究。

本发明的另一个实施方式涉及用于表征微纳米纤维形成过程的原位接收方法，包括以 下步骤：

(1)通过控制装置设定电子离合器的延时时间和收集纤维流的次数；

(2)在接收网帘的正面贴上一层黑色接收纸(纤维为本白色，这样便于对比观察到 纤维直径等)。

(3)将原位接收装置放到如图2位置，并使所述旋转轴的轴线与纤维流的轴线相互 平行(如图3，图中AO为纤维流锥体的中心线，AB为纤维流锥体的锥边)，旋转轴的轴 线与纤维流的轴线之间的距离小于接收网帘的宽度(如图2)。

(4)打开电机马达，电机马达的输出轴开始转动，控制装置开始延时。

(5)延时结束，控制装置向电子离合器发送接合信号，电子离合器使电机马达的输 出轴与传动装置相接，接收网帘开始旋转，并按要求扫过喷射纤维流，从而接收纤维流， 直至达到设定的纤维流次数。

(6)控制装置向电子离合器发送断开信号，并向制动装置发送制动信号，电子离合 器使电机马达的输出轴与传动装置断开，同时制动装置进行制动，使接收网帘停止在指定 的位置。

(7)将接收网帘上的接收纸连同收集在上面的纤维一起取下来，准备下一步测试， 同时将另一张接收纸粘在接收网帘上，准备下一次的收集。

(8)离线对收集纤维进行测试。

下面以几个具体的实施例对本发明进行进一步的说明。

选择一种微纳米纤维纺丝方式，设计一定的纺丝工艺。然后开启纺丝机械，加入相应 的原料(具体见实施例)进行纺丝，调整工艺到设计参数，待稳定纺丝后，将本发明装置 按照上述原理说明进行过程纤维收集，得到过程纤维。对过程纤维进行直径测定，得到直 径变化曲线。改变工艺参数，重复上述实验步骤，或选择另一种微纳米纤维纺丝方式，重 复实验。

实施例1：采用熔喷纺丝方法，原料是低熔点聚丙烯(PP)，熔融温度大约为170℃， 熔融指数为1200，喷丝孔直径0.2mm，熔喷熔体温度为290℃，空气速度为200m/s，最后 纤维直径为1.20μm。纤维直径变化如图4中方块所示。

实施例2：采用熔喷纺丝方法，原料是低熔点聚丙烯(PP)，熔融温度大约为170℃， 熔融指数为1200，喷丝孔直径0.20mm，熔喷熔体温度为350℃，空气速度为210m/s，最 后纤维直径为0.55μm(550nm)。纤维直径变化如图4中五角星形所示。

实施例3：采用熔喷纺丝方法，原料是低熔点聚丙烯(PP)，熔融温度大约为170℃， 熔融指数为70，喷丝孔直径0.20mm，空气速度为30m/s。最后纤维直径为14.63μm。纤维 直径变化如图5中星号所示。

实施例4：采用熔喷纺丝方法，原料是低熔点聚丙烯(PP)，熔融温度大约为170℃， 熔融指数为70，喷丝孔直径0.20mm，空气速度为60m/s。最后纤维直径为13.80μm。纤维 直径变化如图5中加号所示。

实施例5：采用熔喷纺丝方法，原料是低熔点聚丙烯(PP)，熔融温度大约为170℃， 熔融指数为70，喷丝孔直径0.20mm，空气速度为80m/s。最后纤维直径为12.82μm。纤维 直径变化如图5中乘号所示。

实施例6：采用单针头静电纺丝方法，原料是质量比为10％的聚丙烯腈(PAN)的二 甲基甲酰胺(DMF)溶液，实验电压为13kV，流量为1.88ml/h，注射器针头直径为0.5mm， 接收距离为8cm。最后纤维直径为0.124μm(124nm)。纤维直径变化如图6所示。